Рефракция, интерференция, отражение и преломление

ЛекцИя №9

По учебной дисциплине

«Современные автоматизированные системы управления движением судов»

Тема: «Бортовые акустические измерители глубин, дистанций и направлений. Часть 1: Особенности распространения акустических волн в водной среде».

Учебный класс:

время: 1-2 час.

Место: 51 ауд.

Учебная и воспитательная цель: «Формирование у студентов целостного представления о современных автоматизированных системах управления движением судов»

 

Учебные вопросы и распределение времени:

 

Вступление....................................................................................................5 мин.

1. Природа акустических волн................................................................20 мин.

2. Основные параметры акустического поля.......................................25 мин.

Рефракция, интерференция, отражение и преломление

звуковых лучей …………………………………………………………...25 мин.

Выводы и ответы на вопросы.......................................................................5 мин.

Учебно-материальное обеспечение: проектор, слайды.

 

Учебная литература:

1. Алексишин В.Г., Козырь Л.А., Короткий Т.Р. Международные и национальные стандарты безопасности мореплавания. - Одесса: «Латстар», 2002.-257с.

2. Золотов В.В., Фрейдзон И.Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем.-Л.: «Судостроение», 1986.-232с.

3. Вагущенко Л.Л. Интегрированные системы ходового мостика. - Одесса: «Латстар», 2003.-170с.

4. Вагущенко Л.Л., Вагущенко А.Л., Заичко С.И. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности. - Одесса: «Фенікс», 2005.-272с.

5. Вагущенко Л.Л. Судовые навигационно-информационные системы. - Одесса: «Латстар», 2004.-302с

СТРУКТУРА ЛЕКЦИИ И МЕТОДИКА ЕЕ ИЗЛОЖЕНИЯ

 

Лекция начинается с короткого вступления, в котором доводится тема, ее значение в подготовке специалиста, целевая установка и план. Так же во вступлении доводится рекомендуемая литература и ее краткая характеристика.В основной части лекции при определении очередного вопроса плана, формулируется его связь с обеспечивающими учебными дисциплинами и будущей деятельностью специалиста.

 

 

Природа акустических волн

 

Для получения различного рода подводной информации наиболее широкое распространение получила аппаратура, в которой используется способ активной гидролокации. Этот способ основан на излучении акустической энергии в водную среду, приеме и обработке эхо-сигналов, возникающих в результате рассеяния и отражения акустических колебаний от водных объектов.

По физической природе звук представляет собой механические колебания частиц упругой среды. В качестве источника звука в жидкости обычно используется колеблющееся твердое тело. При соприкосновении колеблющегося тела с жидкостью возникает сжатие и растяжение прилегающего элемента водной среды и смещение его частиц.

Благодаря взаимодействию соседних элементов среды упругие деформации (области сгущений и разряжений) передаются от одних участков к другим, все, более удаляясь от источника звука.

Такой процесс распространения колебательного движения называется волновым процессом или распространением акустических волн. Пространство, в котором распространяются звуковые волны, называется акустическим полем.

До акустического воздействия все элементы водной среды находятся только под определенным постоянным давлением, называемым статическим (гидростатическим). Под давлением звуковой волны в зонах сжатия и разрежения происходит изменение плотности и давления. Поэтому давление, избыточное к гидростатическому (независимо от знака), называют акустическим.

В морской среде из-за отсутствия сдвиговой упругости могут образовываться только продольные волны, в которых колебания частиц совпадают с направлением распространения волны. При этом частицы жидкости не переносятся акустической волной, а только передают возмущение соседним частицам. Частицы жидкости совершают около своего положения равновесия колебательные движения, характеризующиеся амплитудой смещения и колебательной скоростью . Что же касается перемещения самой волны, то она удаляется от источника звука со скоростью, получившей название скорости звука . Скорость звука зависит только от свойств среды, причем всегда выполняется условие .

Положение колеблющейся частицы жидкости по отношению к положению равновесия характеризуется фазой колебания. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковых фазах, называется волновой поверхностью. Ее форма зависит от конфигурации источника звука, типа колебаний, характера среды и т.д. Частным случаем волновой поверхности является фронт волны – геометрическое место точек, до которых к некоторому моменту времени дошло колебание.

Направления, по которым распространяются акустические колебания от источника звука, называют акустическими лучами. В изотропной среде, обладающей одинаковыми свойствами во всех направлениях, эти лучи перпендикулярны волновым поверхностям.

Гармоническая звуковая волна характеризуется длиной волны и периодом , которые связаны соотношением:

,

где с – скорость звука.

Вместо периода часто пользуются частотой , равной числу периодов в единицу времени:

или

 

Рефракция звука

Рефракция звука вызывается неоднородностью физических свойств водной среды, главным образом по вертикали, вследствие изменения с глубиной гидростатического давления, солености и температуры. В результате с глубиной меняется и скорость звука, причем закон ее изменения зависит от времени года, суток и т.д.

Если на пути распространения звукового луча имеется несколько параллельных слоев жидкости, обладающих различными акустическими свойствами, то в любой точке звукового луча отношение скорости звука к синусу угла падения есть величина постоянная (постоянная Снелля):

Отсюда следует, что если луч пересекает слои воды с различными скоростями звука, то углы его наклона в этих слоях тоже различны. Луч всегда изгибается в сторону уменьшения скорости звука, и угол уменьшается, если уменьшается величина .

Существуют рефракционные траектории (лучевые картины) распространения звука (рисунок 1).

При отрицательном градиенте скорости звука акустические лучи искривляются в сторону дна (рисунок 1 а), при положительном – в сторону водной поверхности (рисунок 1 б).

При смене отрицательного градиента на положительный в толще воды образуется подводный звуковой канал (ПЗК). Осью звукового канала считается глубина, на которой скорость звука минимальна (рисунок 1 в). Верхней и нижней границей являются глубины, на которых скорость звука одинакова. Если источник звука расположить на оси ПЗК, то вследствие внутреннего отражения, энергия не выйдет за пределы канала и распространится на большие расстояния при минимальных потерях.

а) б)

в)

 

Рисунок 1. Лучевые картины при рефракции звуковых лучей

Интерференция

 

В акустическом поле возможно сложение двух и более волн, при котором в различных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Это явление называют интерференцией.

Пусть перпендикулярно к границе раздела двух сред падает плоская волна. Тогда отраженная волна пойдет также по перпендикулярному на­ правлению к отражающей поверхности, только в противоположном направлении. Произойдет наложение падающей и отраженной волн. Результирующие значения колебательной скорости и звукового давления в некоторой точке акустического поля, отстоящей от границы раздела на расстоянии :

 

где

Из данных выражений следует, что в результате сложения падающей и отраженной волн возникает плоская гармоническая волна той же частоты, амплитуда которой зависит от расстояния до границы раздела. В некоторых точках амплитуды максимальны, в некоторых равны нулю. Первые называются пучностями, а вторые — узлами. Пучности и узлы смещены относительно один другого на расстояние (рис. 2). Характерной особенностью стоячей волны по сравнению с бегущей является то, что в ней все точки между соседними узлами совершают колебания с одинаковой фазой. Таким образом, в пространстве, где складываются падающие и отраженные

волны, в одних точках есть смещение частиц, но нет давления, а в других, наоборот есть давление, но нет смещения частиц.

 

 

Рисунок 2. Пучности и узлы колебательной скорости и звукового давления

;

При образовании стоячей волны в идеальной жидкости (из-за наличия сдвига фазы между давлением и колебательной скоростью, равного ) переноса энергии не происходит.

 

Реверберация

 

Послезвучание, или постепенно убывающий по силе звук, возникающий при работе гидроакустических систем в активном режиме в результате отражения и рассеяния звука границами раздела сред и слоев, а также различными неоднородностями водной среды, называется реверберацией.

Обычно различают объемную, донную и поверхностную реверберацию.

Под объемной подразумевается реверберация, вызванная рассеянием звука на неоднородностях, насыщающих толщу воды.

Поверхностная реверберация обусловлена рассеянием звука прежде всего газовыми пузырьками приповерхностного слоя и взволнованной поверхностью моря.

Донная реверберация возникает из-за рассеяния звука неровностями дна.

Реверберация существенно влияет на работу любых средств активной гидролокации, особенно при горизонтальном и наклонном зондировании, когда, как правило, излучаются импульсы большой мощности. Полезный сигнал может быть принят и выделен, если к моменту его прихода уровень реверберации окажется ниже уровня эхо-сигнала (рис. 5).

 

Рисунок 5. Изменение интенсивности реверберации во времени:

1- излучаемый импульс; 2- реверберация; 3- эхо-сигналы.

 

Поскольку полезный сигнал изменяется с расстоянием по тому же закону, что и объемная реверберация, снижение уровня объемной реверберации из-за уменьшения акустической мощности не приводит к изменению соотношения сигнал — помеха, а, следовательно, не способствует увеличению дальности действия гидроакустических устройств.

Хотя реверберация часто мешает работе гидроакустической аппаратуры, в ряде случаев она является источником полезной информации при оценке характеристик грунта и неровностей дна.

ЛекцИя №9

По учебной дисциплине

«Современные автоматизированные системы управления движением судов»

Тема: «Бортовые акустические измерители глубин, дистанций и направлений. Часть 1: Особенности распространения акустических волн в водной среде».

Учебный класс:

время: 1-2 час.

Место: 51 ауд.

Учебная и воспитательная цель: «Формирование у студентов целостного представления о современных автоматизированных системах управления движением судов»

 

Учебные вопросы и распределение времени:

 

Вступление....................................................................................................5 мин.

1. Природа акустических волн................................................................20 мин.

2. Основные параметры акустического поля.......................................25 мин.

Рефракция, интерференция, отражение и преломление

звуковых лучей …………………………………………………………...25 мин.

Выводы и ответы на вопросы.......................................................................5 мин.

Учебно-материальное обеспечение: проектор, слайды.

 

Учебная литература:

1. Алексишин В.Г., Козырь Л.А., Короткий Т.Р. Международные и национальные стандарты безопасности мореплавания. - Одесса: «Латстар», 2002.-257с.

2. Золотов В.В., Фрейдзон И.Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем.-Л.: «Судостроение», 1986.-232с.

3. Вагущенко Л.Л. Интегрированные системы ходового мостика. - Одесса: «Латстар», 2003.-170с.

4. Вагущенко Л.Л., Вагущенко А.Л., Заичко С.И. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности. - Одесса: «Фенікс», 2005.-272с.

5. Вагущенко Л.Л. Судовые навигационно-информационные системы. - Одесса: «Латстар», 2004.-302с